重庆跨座式单轨交通系统动载试验研究

1、重庆跨座式单轨交通系统动载试验研究 马继兵蒲黔辉夏招广(西南交通大学 ,成都 610031 )摘要 :研究目的 :对重庆市跨座式单轨交通系统进行动载试验 ,检验跨座式单轨交通系统的实际动力性能 。研究方法 :通过对不同车速下重庆市跨座式单轨交通系统动力性能的检测试验 ,研究跨座式单轨交通 PC轨道梁的动力特性及其动力响应 ,并对单轨车辆乘坐舒适性进行测试与分析 。研究结果 : PC轨道梁结构实测动力特性与理论计算结果基本相符。研究结论 :轨道梁结构具有良好的竖向刚度和结构强度 ;单轨车辆以不同速度通过桥梁时 ,试验梁横向基 频 、横向加速度等横向振动性能与铁路桥梁检定规范要求有一定差异 ; 单

2、轨车辆在桥上运行时对轨道梁结构 有一定的冲击作用 ;参照 ISO2631、U IC513和 GB5595 - 85评价标准 ,对单轨车辆乘坐舒适性采用舒适度和平 稳性 2个指标进行的测试分析表明 ,运行车辆具有良好的乘车舒适性 。关键词 :跨座式单轨交通 ; PC轨道梁 ;乘坐舒适性 ;动载试验中图分类号 : U239. 5文献标识码 : AExper im en ta lResearchontheChongq ing Straddle-type M onora ilTran sporta tion System under D ynam ic L oad ingM A J i - b in

3、g, PU Q ian - hu i, X ia Zha o - guan g( Sou thwe st J iao tong U n ive rsity,A b stra c t: Re sea rch purpo se s:Chengdu, Sichuan 610031 , Ch ina)In o rde r to in sp ec t the ac tua l dynam ic re spon se s of Chongq ing stradd le - typ e mono ra iltran spo rta tion system , dynam ic load ing te sts

4、 we re ca rrid ou t.Re sea rch m e thod s: Th rough dynam ic p e rfo rm ance te st on Chongq ing stradd le - typ e mono ra il tran spo ra tion system unde r d iffe ren t sp eed, the dynam ic cha rac te ristic s and re spon se s of PC ra il beam s we re stud ied, and a t the sam e tim e the com fo rt

5、 of p a ssenge rs of mono ra il veh ic le s wa s a lso te sted and ana lysed.Re sea rch re su lts: The dynam ic cha rac te ristic s te sted of PC ra il beam s m a tched we ll w ith theo re tica l ca lcu la tion.Re sea rch con c lu sion s: The beam s we re of good ve rtica l rigid ity and struc tu ra

6、 l strength. W hen tra in p a ssed w ith d iffe ren t sp eed, the re wa s d iffe rence be tween first tran sve rse frequency, tran sve rse acce le ra tion of the beam s te sted and the safe ty lim its regu la ted by Code fo r ra ting existing ra ilway b ridge s. A nd the p a ssing tra in had som e i

7、mp ac ting func tion on the beam s. Th ree eva lua ting standa rd s - ISO 2631 , U IC 513 and GB 5599 - 85 we re adop ted, the exten of ride com fo rt of p a ssenge rs and smoo thne ss of tra in mo tion we re emp loyed to a sse ss the com fo rt of p a ssenge rs, and the re su lts te sted ind ica ted

8、 tha t mono ra il veh ic le s can sa tisfy the com fo rt of p a ssenge rs.Key word s: stradd le - typ e mono ra il tran spo rta tion; PC ra il beam; com fo rt of p a ssenge rs; dynam ic load ing te st近年来我国城市轨道交通发展迅速 ,从内容和形式上都有了突飞猛进的进步 ,目前跨座式单轨交通系 统已经在重庆市得到应用 ,有关该交通系统的相关研究逐渐引起工程、学术界的重视 。跨座式单轨交通车辆转向架和

9、轨道梁与其它轨道交通系统不同 ,因而其 车桥动力学问题具有自身特点 ,目前这方面的少量研收稿日期 : 2007 - 08 - 30 作者简介 :马继兵 , 1976 年出生 ,男 ,博士研究生。70铁 道 工程 学 报2007年 11月究主要见于日本 1 - 2 ,国内部分学者也开展了这方面的研究 ,并取得了一定成果 3 。为保证结构安全和列 车运行平稳性 ,这些理论模型和计算结果需要试验数 据的验证 ,因此为掌握跨座式单轨交通系统的动力性 能 ,并为线路、轨道梁的运营管理、养护以及相关规范 的制订提供基本数据 ,西南交通大学结构工程试验中 心与重庆市轨道交通总公司合作 ,对该交通系统进行 了

10、全面的动载试验研究 。轨道梁动力特性、动力响应及单轨车辆的乘坐舒适性。典型区段试验梁为 Z206 - 25、Z206 - 27 , 位于牛角 沱 李子坝区间 ,计算跨度分别为 21. 2 m、19. 207 m; 曲线区段试验梁为 Y210 - 39、Y210 - 40 ,位于袁家岗谢家湾区间 ,计算跨度分别为 18. 927 m、18. 926 m。1. 2 试验内容及荷载工况通过单轨车辆以满载方式按照设计速度通过试验 区段 ,并辅以制动工况 ,测试试验区段 PC 轨道梁结构 动力响应 ,主要包括试验梁跨中截面位移、振幅 ,梁端 支座位移 ,梁体应力、加速度 ,以及空载下梁体振型 、频 率、

11、阻尼等 ,其中曲线区段增加梁体扭转测试 ; 同时进 行车辆行驶过程中的乘坐舒适性测试。试验以运营车辆的静停、5 65 km / h 匀速行驶、2040 km / h制动等作为试验荷载工况。具体车辆荷 载模式如图 1 所示。1 试验内容及荷载工况1. 1 桥梁概况本次试验对重庆轻轨 II号线一期工程全线具有 代表性的 7个结构区段 (典型区段 、Z110 - 3 轨道梁 、 曲线区段 、V 形支撑区段、高墩区段 、车站区段、和双薄 壁墩区段 ) 进行了动载试验研究 4 。限于篇幅 , 本文 主要研究具有代表性的典型区段 、曲线区段内的 PC图 1 车辆荷载模式 (单位 : cm )1. 3 测点

12、布置自振特性试验中 ,通过加速度传感器测定桥跨结 构在随机荷载激振下的微幅振动响应 ,通过频谱分析 等得到结构自振频率 、振型和阻尼比 ,梁体振型测点布置在梁体 L / 6、L / 3、L / 2、4L / 6、5L /6截面处 。 激振试验中 ,梁体动应力测试断面布置在试验梁跨 L / 4、L / 2、3L / 4处 , 测点共 12 个; 加速度测试断面布 置在试验跨 L / 2 处 , 测点共 3个; 挠度测试断面布置在 试验梁跨中和梁两端支座处 , 跨中测点为 1 个横向和2 个竖向测点 , 支座处挠度测点包括 6 个纵向位移测点和 1个竖向位移测点; 梁体扭转测点布置在 L / 2

13、截面处 , 在该截面下缘两侧各布置 1 个测点用以测计梁 体扭转。试验梁 Z 206 - 25主要测点布置如图 2所示。2 测试结果与分析2. 1 振动测试结果单轨车辆以 565 km / h 匀速通过 PC 轨道梁时 , 试验梁部分工况下跨中截面横、竖向振动时程结果如 表 1、图 3和图 4所示。表 1 PC 轨道梁振动测试结果试验梁跨中截面最大动位移相应车速 / ( km ·h - 1 )跨中截面最大加速度 / (m ·s- 2 )相应车速 / ( km ·h - 1 )Z206 - 25竖向 /mm7. 6340 (行车 )竖向1. 1350 (行车 )横向

14、 /mm0. 2240 (制动 )横向1. 1750 (行车 )最大转角 / ( °)0. 0950 (行车 )纵向0. 4950 (行车 )Z206 - 27竖向 /mm6. 5550 (行车 )竖向0. 4760 (行车 )横向 /mm3. 8165 (行车 )横向-最大转角 / ( °)0. 0560 (行车 )纵向0. 5260 (行车 )Y210 - 39竖向 /mm2. 5230 (行车 )竖向1. 9965 (行车 )横向 /mm3. 6110 (行车 )横向1. 7865 (行车 )最大转角 / ( °)0. 1640 (制动 )纵向-Y210 -

15、 40竖向 /mm4. 9840 (行车 )竖向2. 2165 (行车 )横向 /mm2. 9520 (制动 )横向2. 2365 (行车 )最大转角 / ( °)-纵向3. 4465 (行车 )71第 11期马继兵蒲黔辉夏招广 :重庆跨座式单轨交通系统动载试验研究图 2 试验梁 Z206 - 25测点布置 (单位 : cm )图 3 30 km / h行车 Z206 - 27跨中截面竖 、横向动位移时程曲线梁体跨中横向动位移在 50 km / h 车速附近达到最小 ,低速和高速行驶时横向位移值分别向相反方向增大 , 这与曲线梁离心力作用与行车速度有关 ; 实测梁体跨 中绕梁轴向转角

16、均很小 ,梁体抗扭性能较好。加速度测试表明 ,典型区段桥跨结构横向加速度实测值满足 1. 4 m / s2 的铁路桥梁检定规范限值要 求 5 ,而曲线区段的 Y210 - 39、Y210 - 40 梁实测值分别在车速大于 50 km / h和 40 km / h时超出检定规范规 定限值。2. 2 桥梁跨中横向振动与列车运行速度的关系试验梁跨中横向动位移振幅与车速关系如图 5 所 示 ,可知除车速 40 km / h外 ,曲线区段试验梁跨中最大 横向振幅基本大于典型区段试验梁对应值 ,与实际受 力情况相符 ;当车速超过 30 km / h时 ,曲线区段试验梁图 440 km / h行车 Y 21

17、0 - 39梁体跨中截面竖 、横向加速度时程曲线动位移测试表明 ,试验梁竖向动位移实测值相对较小 ,表明试验梁体具有足够竖向刚度 ;位于平曲线段 的 Z206 - 27梁横向位移远比位于直线段的 Z206 - 25 梁大 ,符合实际受力情况 ;在各行车工况下曲线区段两72铁 道 工程学报2007年 11月跨中最大横向振幅基本呈现随车速增加而先增大后减小的趋势 ,在车速 60 km / h 时达到最大 。表 2 给出了 试验梁跨中截面最大横向振幅、达到最大振幅的车速 以及铁路桥梁检定规范参考值 ,由表 2 数据可知试验 梁实测横向最大振幅均小于规范规定限值 ,试验轨道 梁横向振幅满足检定规范要求

18、。图 7 跨中竖向位移动力系数与车速关系图 5 跨中横向最大振幅与车速关系表 2 单轨车辆通过时试验梁跨中最大横向振幅图 8 跨中下缘应变动力系数与车速关系对梁体冲击作用相对较小。表 3 单轨车辆通过时试验梁跨中最大动力系数2. 3 桥梁跨中竖向振动与列车运行速度的关系轨道梁跨中竖向最大动位移振幅与车速关系如 图 6所示 ,可知梁体竖向位移振幅并不大 ,且除个别行车速度外基本呈现随车速增加而缓慢增大的趋势。65 (行车 )60 (行车 )65 (行车 )2. 5 桥梁振动加速度与列车运行速度的关系轨道梁跨中竖、横向振动加速度与车速的关系如 图 9、图 10所示。图 6 跨中竖向最大振幅与车速关

19、系2. 4 实测梁体动力系数与列车运行速度的关系轨道梁跨中截面实测动力系数与车速关系如 图 7、图 8所示 。由图可知 ,曲线区段试验梁体位移动力系数基本呈现随车速增大而增加的趋势 ,而典型区段的变化趋 势则不明显 ; 试验梁体应变动力系数则在车速到达30 km / h之前变化不大 , 而在 30 km / h 之后呈现随车 速增大而增加的趋势 。表 3则给出了试验梁跨中截面最大动力系数、达 到最大动力系数的车速以及动力系数设计参考值 ,梁体动力系数设计值为 ,因此由表 3 数据可知运行车辆图 9 跨中竖向加速度与车速关系由图可知 ,除 50 km / h时速外 ,曲线区段试验梁跨中最大横 、

20、竖向加速度值均大于典型区段试验梁对应试验梁实测动力系数设计值相应车速 / ( km ·h - 1 )Z206 - 25位移动力系数1. 12应变动力系数1. 111. 28130 (制动 )65 (行车 )Z206 - 27位移动力系数1. 13应变动力系数1. 241. 28940 (行车 )Y210 - 39位移动力系数1. 19应变动力系数1. 151. 29065 (行车 )Y210 - 40位移动力系数1. 18应变动力系数1. 171. 29040 (行车 )试验梁最大横向 振幅值 /mm检规 参考值 /mm相应车速 / ( km ·h - 1 )通常值安全值Z

21、206 - 270. 771. 242. 1340 (行车 )Y210 - 390. 791. 222. 1060 (行车 )Y210 - 401. 151. 222. 1060 (行车 )73第 11期马继兵 蒲黔辉 夏招广 :重庆跨座式单轨交通系统动载试验研究属小阻尼振动 ,符合桥跨结构实际情况 。表 5 试验梁实测自振频率及阻尼比阻尼比图 10 跨中横向加速度与车速关系值;曲线区段试验梁跨中最大竖、横向加速度值基本呈现随行车速度增加而增大的趋势 , 而典型区段试验梁 则基本以 50 km / h时速为界 ,呈现随行车速度增加而先增大后减小的趋势 。表 4 单轨车辆通过时试验梁跨中最大横向

22、加速度2. 7 车辆乘坐舒适性测试及分析对跨座式单轨车辆乘坐舒适性在袁家岗 谢家湾 区间 上 进 行 了 测 试 , 并 参 照 ISO2631、U IC513 和 GB 5595 - 85评价标准 ,采用舒适度和平稳性 2个指标 同时进行了评定。2. 7. 1 车辆乘坐舒适性计算方法和评定等级乘坐舒适度按下式进行计算 ,具体计算方法和评 6 7 定等级见 ISO 2631标准和 U IC513标准。W d 2 + aW d 2 + aW b 2N = 6( aX )P95(Y P95 )(Z P95 )( 1 )表 4给出了试验梁跨中截面最大横向加速度、达到最大加速度的车速以及铁路桥梁检定规

23、范参考值 ,由表 4数据可知曲线区段试验梁实测横向最大加速度 并不满足检定规范要求 ,表明曲线区段试验梁横向动力性能要求与铁路桥梁有一定差异 。2. 6 梁体自振特性分析试验梁梁体自振频率、振型及阻尼比如表 5所示 。 由表 5可知 ,试验梁横、竖向基频实测值与计算值基本相符 ,且均略大于计算值 , 说明实际结构具有较好的 横、竖向刚度 ;但实测值均略小于铁路桥梁检定规范通 常限值 ,表明轨道梁横向基频要求与铁路桥梁有一定 差异。实测桥跨结构阻尼比介于 0. 005 0. 010 之间 ,式中N 舒适度指标;a 加速度的均方根值;W d , W b 与加权曲线 d、b 的频率加权值有 关;XP

24、95 , YP95 , ZP95 与界面及统计概率有关 , 表示加 速度传 感 器 敏 感 度 方 向 , X、Y、Z 分别为纵、横和垂 向; P 表示车体地板面 , 95 表示分布概率分位点 95 % 。 乘坐舒适度评定等级见表 6 ,试验车辆客车舒适度等级不应低于 2级 。表 6 乘坐舒适度等级划分表平稳性指标按下式计算 ,具体计算方法和评定等级见 GB 5599 85标准 8 。A 振动加速度 ;F 振动频率 ( H z) ;F ( f) 频率修正系数 。频率修正系数见表 7 ,平稳性指标等级见表 8 ,试 验车辆客车不应低于 2级。103A( 2 )W = 7. 08F ( f )f式

25、中W 平稳性指标;舒适度等级划分表 (U IC 513标准 )各方向舒适度值划分表 ( ISO 2631标准 )舒适度等级舒适度指标评定舒适度等级舒适度值 / (m ·s- 2 )评定1级N < 1非常舒适1级< 0. 315非常舒适2级1 N < 2舒适2级0. 3150. 63舒适3级2 N < 4还算舒适3级0. 51. 0还算舒适4级4 N < 5不舒适4级0. 81. 6不舒适5级N 5非常不舒适5级1. 252. 5非常不舒适6级> 2极不舒适试验梁最大横向加速度 / (m ·s- 2 )检规 参考值 / (m ·s

26、- 2 )相应车速 / ( km ·h - 1 )Z206 - 251. 171. 450 (行车 )Y210 - 391. 781. 465 (行车 )Y210 - 402. 231. 465 (行车 )试验梁振型计算 频率 /H z实测 频率 /H z检规 通常 值 /H z值实测Z206 - 25竖向一阶6. 2307. 178-0. 007横向一阶3. 4713. 8824. 2450. 006Z206 - 27竖向一阶7. 5908. 106-0. 006横向一阶4. 2294. 4924. 6860. 010Y210 - 39竖向一阶7. 8169. 180-0. 005

27、横向一阶4. 3554. 6394. 7550. 010Y210 - 40竖向一阶7. 8179. 277-0. 005横向一阶4. 3554. 5904. 7550. 01074铁 道 工程学报2007年 11月表 7 频率修正系数表 ( U IC513标准 )表 8 平稳性指标等级表图 12不同速度下三向舒适度 (置信概率 95% )2. 7. 2 测点布置及试验内容在单轨车辆车体上布置三向加速度传感器 ,以检 测车辆乘坐舒适性性能 ,因车箱内堆满沙袋 ,故将传感 器布置在车门附近座椅边 ; 另在转向架中心线上布置三向加速度传感器 ,以检测单轨车辆转向架振动情况 。 本次试验共进行了包括

28、5 km / h、30 km / h、40 km / h、50 km / h、60 km / h、65 km / h和 75 km / h匀速运行以及 正常行车运行共 12次乘坐舒适性测试 ,每次测试均进行车体三向加速度及转向架垂向 、横向加速度测量 ,用 于统计计算乘坐舒适度和垂、横向平稳性指标。2. 7. 3 测试结果及分析按 U IC513、ISO 2631 及 GB 5599 - 85 标准对车辆 进行的乘坐舒适性、平稳性指标评定结果与车速的关系分别如图 11 13 所示。综合测试、评定结果 ,可以得出表 910所示结论 ,可知单轨车辆横 、垂向平稳性 数值均小于 2. 5 , 平稳性

29、能为优 ; 单轨车辆在时速为4050 km / h运行时运行状态最好 ,舒适性最佳 。图 13 不同速度下横 、垂向平稳性指标 (置信概率 95 % )表 9 单轨车辆平稳性测试及评定结果轻轨列车平稳性评定结果 ( GB 559585标准 )图 11 不同速度下综合舒适度 (置信概率 95% )表 10 单轨车辆乘坐舒适度测试及评定结果舒适2 2级舒适运行 速度 /( km ·h - 1 )综合舒适度 (U IC513标准 )纵向舒适度 ( ISO2631标准 )横向舒适度 ( ISO2631标准 )垂向舒适度 ( ISO2631标准 )舒适度 数值舒适度 评定 指标舒适度 等级评定

30、舒适度 数值舒适度 评定 指标舒适度 等级评定舒适度 数值舒适度 评定 指标舒适度 等级评定舒适度 数值舒适度 评定 指标舒适度 等级评定50. 546< 11级非常 舒适0. 086< 0. 3151级非常 舒适0. 017< 0. 3151级非常 舒适0. 025< 0. 3151级非常301. 0161N <舒适0. 091< 0. 3151级非常 舒适0. 077< 0. 3151级非常 舒适0. 120< 0. 3151级非常 舒适400. 727< 11级非常 舒适0. 105< 0. 3151级非常 舒适0. 065&l

31、t; 0. 3151级非常 舒适0. 147< 0. 3151级非常评定 内容运行速度 / ( km ·h - 1 )平稳性 数值平稳性 评定指标平稳性 等级评定横向 平稳性51. 091< 2. 51级优301. 675< 2. 51级优401. 717< 2. 51级优501. 755< 2. 51级优601. 993< 2. 51级优652. 131< 2. 51级优垂向 平稳性51. 173< 2. 51级优301. 741< 2. 51级优401. 786< 2. 51级优501. 779< 2. 51级优6

32、01. 963< 2. 51级优651. 991< 2. 51级优平稳性等级平稳性指标 W评定1级< 2. 5优2级2. 52. 75良好3级2. 753. 0合格垂直振动横向振动0. 55. 9 H zF ( f) = 0. 325f 20. 55. 4 H zF ( f) = 0. 8f 25. 920. 0 H zF ( f) = 400 / f 25. 426. 0 H zF ( f) = 650 / f 2> 20. 0 H zF ( f) = 1> 26. 0 H zF ( f) = 175第 11期马继兵 蒲黔辉 夏招广 :重庆跨座式单轨交通系统动载

33、试验研究续表 10 单轨车辆乘坐舒适度测试及评定结果2 2级2 2级2 2级试验评定缺乏相关规范 ,采用铁路桥梁检定规范对试验结果的分析表明 ,跨座式单轨交通 PC 轨道梁横向 动力性能与铁路桥梁有一定差别 ,因此尽快研究制定 出跨座式单轨交通系统相关设计、试验检定规范有利 于进一步在国内推广应用该轨道交通制式。3 结论( 1 ) 试验轨道梁实测横 、竖向基频与计算值基本 相符 ,且均略大于计算值。测试与分析表明 ,现行铁路 桥梁检定规范关于桥跨结构横向基频的规定与跨座式 单轨交通轨道梁结构实际情况存在一定差异 。( 2 ) 试验荷载下实测梁体竖向动位移及动应变均 较小 , PC 轨道梁结构具

34、有良好的竖向刚度和结构 强度。( 3 ) 实测梁体横向位移振幅小于检定规范限值 ,实测位移、应变动力系数小于理论设计值 ; 在 30 60 km / h行车速度区间时 , 上述动力响应基本呈现随 车速增加而逐渐增大的趋势。( 4 ) 典型区段试验梁跨中横向加速度实测值小于1. 4 m / s2 的铁路桥梁检定规范限值 ,但曲线区段试验 梁实测值在一定行车速度下超出检定规范限值 ,表明 曲线区段试验梁横向动力性能要求与铁路桥梁有一定 差异。( 5 ) 参照国内外相关标准 ,对单轨车辆乘坐舒适 性采用舒适度和平稳性 2 个指标进行的评定表明 ,运 行列车具有良好乘车舒适性。( 6 ) 本次试验完善了跨座式单轨交通系统相关技 术资料。由于跨座式单轨交通在国内首次采用 ,动力参考